Trabajo de titulación, previo a la obtención del titulo de Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones Diseño de un modelo de propagación para el análisis de la comunicación de biosensores en el cuerpo humano. Autor: Guzmán Calderón, Diego David Director: Ing. Álvarez Veintimilla Jorge Damián Carrera de Ingeniera en Electrónica y Telecomunicaciones

Resumen El objetivo de este proyecto es diseñar y simular un modelo de propagación que calcula perdidas en la transmisión de datos de Biosensores implantados en cualquier ser humano, sabiendo que estos se encuentran ubicados en las extremidades del cuerpo y permiten realizar la medición de señales en tiempo real. Posteriormente, se cuantificaron las perdidas de propagación en función de las características dieléctricas analizadas en este estudio, que son mostrados a través de una interfaz gráfica, la cual permite ver la variación de pérdida de la señal en función de la distancia que recorre la onda en el ser humano.

Justificación e Importancia Es necesario estudiar la influencia del cuerpo sobre la propagación de ondas y viceversa; ya que estas ondas atraviesan los tejidos blandos y el hueso, provocando la vibración de los tejidos que rodean a cada una de las partes involucradas alrededor de la transmisión del Biosensor, dando lugar a nuevas ondas longitudinales que se propagan hacia el exterior del Biosensor, lo que da lugar a realizar estudios sobre estas ondas y la relación de perdidas que se generan al producirse la comunicación entre el transmisor y receptor.

Objetivos Implementar y simular un modelo de propagación mediante el uso del software MATLAB para calcular las perdidas que se producen cuando se transmiten datos desde un Biosensor en el cuerpo humano con su receptor de datos. Estimar un modelo de propagación que pueda cuantificar las perdidas que se pueden ocasionar en la transmisión de datos según las características eléctricas. Implementar el modelo estimado en software MATLAB® obtener resultados de las perdidas que se pueden obtener según las características de la comunicación. Demostrar el funcionamiento del programa diseñado para el calculo de perdidas de propagación, mediante la comparación con software ya existentes, para verificar los resultados expuestos.

Ecuación de Friis Para el caso de la propagación de ondas en varios medios con perdidas, se debe tomar muy en cuenta la reflexión y transmisiones en cada medio, por lo cual la ecuación de Friis para varios medios con perdidas, se define como. 𝑃 𝑅 = 1− 𝑆 11 2 1− 𝑆 22 2 𝜆 2 𝑚𝑒𝑑 𝐺 𝑇 𝑃 𝑇 𝐺 𝑅 𝑒 −𝛼𝑟 4𝜋𝑑 2 𝐸 2 𝑖𝑛𝑐 2 𝑖=1 𝑛 𝑇 𝑖 𝑒𝑥𝑝 𝛼 𝑖 𝑙 𝑖 𝑛 𝑖 𝑇 𝑛 𝑒𝑥𝑝 − 𝛼 𝑛 𝑑− 𝑖=1 𝑛−1 𝑙 𝑖 𝑛 𝑛 1+ 𝑅 𝑛+1 𝑒𝑥𝑝 −2 𝛼 𝑛 𝑖=1 𝑛 𝑙 𝑖 −𝑑

Modelo de propagación desarrollado El modelo implementado se basa en una matriz de resultados, que con la ayuda de los códigos de MATLAB®, permite seleccionar de manera fácil la solución para cualquier tipo de estudio, tomando en cuenta las características del individuo, las cuales son: el peso, altura, edad y genero. 𝐹 𝑀 𝐶𝑎 = 𝐸𝑑𝑎𝑑 1 𝑃𝑒𝑠𝑜 1 ⋯ 𝐸𝑑𝑎𝑑 7 𝑃𝑒𝑠𝑜 1 ⋮ ⋱ ⋮ 𝐸𝑑𝑎𝑑 1 𝑃𝑒𝑠𝑜 7 ⋯ 𝐸𝑑𝑎𝑑 7 𝑃𝑒𝑠𝑜 7 × 𝐸𝑠𝑡 1 𝐺𝑒𝑛 1 𝐸𝑠𝑡 1 𝐺𝑒𝑛 2 ⋮ ⋮ 𝐸𝑠𝑡 7 𝐺𝑒𝑛 1 𝐸𝑠𝑡 7 𝐺𝑒𝑛 2

Modelo de propagación desarrollado Esta matriz proporciona un factor de calculo , para cada caso de estudio según las características del paciente, con lo cual, al multiplicarlo con la matriz de resultados promedios, entrega los resultados deseados según cada característica. 𝑀 𝑅 = 67.4154 68.1035 68.6986 67.1570 67.9946 67.9957 67.9238 𝑀 𝐹𝑃 = 𝑀 𝑅 ∗ 𝐹 𝑀 𝐶𝑎

Página de Inicio El programa dispondrá de varias partes, entre ellas el “Login" del usuario, pagina principal, manuales, el ingreso de datos de la persona de estudio, los resultados, y la salida del programa.

Página principal e ingreso de datos En esta pagina de la interfaz de la app, se dispone el ingreso de datos, el uso de manuales, de una forma didáctica, as como el acceso a los resultados del estudio y la salida del programa

Resultados Los cálculos se despliegan como muestra la ilustración, en donde se observa el resultado total matemático de las perdidas, as como una gráfica explicativa de como señal emitida por la antena implantada, vara según las perdidas que se generan en cada parte del cuerpo humano.

Estudios realizados Para el análisis de resultados se realizo 4 estudios en los diferentes rangos de edad, entre los cuales son 4 años, 12 años, 24 años y 66 años, tomando en cuenta sexo masculino como femenino. Estas edades en especifico fueron consideradas por las siguientes características: 4 años: a esta edad los niños ya tienen desarrollado todo su cuerpo internamente y es el inicio de un crecimiento12 años: a esta edad, empieza la pubertad tanto en niños 12 años: a esta edad, empieza la pubertad tanto en niños como en niñas, y el cuerpo enfrenta cambios muy notorios 24 años: a esta edad los jóvenes ya alcanzan su madurez física, tanto la mujer como el hombre. Por lo cual se pueden obtener datos de los cambios respecto de la pubertad. 66 años: es la edad promedio en la cual se puede considerar a un adulto mayor.

Resultados en 4 años Para este estudio se tomo los siguientes ejemplos de un niño y una niña de 4 años, con las características siguientes: Los resultados obtenidos de estos estudios: las perdidas producidas para el niño fueron 67.2360 dB y para la niña 64.8184 dB.

Gráfica de resultados

Comparación de resultados con FEKO Para la corroborar el modelo implementado se comparo el App desarrollado con el software “FEKO", este permite calcular las perdidas de propagación de un enlace o cierto modelo con respecto a una antena diseñada. Se tomó dos casos en especifico, niño y niña de 4 años, esto, debido a que en la app desarrollado se generaron mayores variaciones de las perdidas de propagación mientras estas atraviesan cada capa del cuerpo humano.

Comparación de resultados en un niño de 4 años El estudio se realizo con un paciente con las siguientes características: Género: Masculino Peso: 17 Kg Altura: 104 cm Para este caso, se obtuvo unas perdidas en el modelo completo de 67.8324 dB, y as mismo la variación que va generando cada capa del cuerpo humano del paciente según su trayecto.

Gráfica comparativa

Comparación de resultados en una niña de 4 años El estudio se realizo con un paciente con las siguientes características: Género: Femenino Peso: 17 Kg Altura: 102 cm Para este caso, se obtuvo unas perdidas en el modelo completo de 67.8324 dB, y as mismo la variación que va generando cada capa del cuerpo humano del paciente según su trayecto.

Resultados del modelo propuesto y el modelo en FEKO

Resultados del modelo propuesto y el modelo en FEKO

Conclusiones El cuerpo humano no solo consta de tejidos que generan perdidas, este también tiene fluidos o elementos que pueden generar conductividad, como lo es el musculo. Cuando se habla del estudio del cuerpo humano, no se debe olvidar las diferencias que existen entre un ser humano y otro de la misma especie, es decir no se puede generalizar un estudio para un cierto tipo de población. Los resultados obtenidos en el software diseñado, indican varios puntos importantes, entre los cuales se tiene que mientras mayor edad, altura y peso del individuo de estudio mayores serán las perdidas. El software desarrollado se puede implementar como un método de reconocimiento de rupturas fibrilares, huesos y deficiencias tanto en la piel, tejido adiposo, musculo y huesos

Recomendaciones Con la ayuda del software diseñado, se puede realizar estudios en las antenas que forman parte de los Biosensores, para mejorar su transmisión y generar mas perdidas. Este estudio también se puede expandir hacia animales, en los cuales se ha vuelto muy común en los últimos anos el implantar chips de reconocimiento y localización. Puede servir de ejemplo para realizar estudios de biosensores localizados en otras partes del cuerpo, para finalmente crear un solo software que permita estudiar la propagación de ondas de los Biosensores.

Fin de la presentación MUCHAS GRACIAS